[发明专利]一种采用斩波稳定技术的电容连续时间读出电路

说明书

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，而更详细地涉及一种采用斩波稳定技术的电容连续时间读出电路，是高精度的适用于电容式微机电传感器的读出电路。

背景技术

随着微机电系统(MEMS)技术的不断进步，电容式微机电传感器应运而生，它具有体积小、功耗低、响应快和易于集成等优点，国际学术界和工业界对它的关注和研究日益升温。采用这种技术研发的压力传感器、加速度计和角速度计等产品在民用和军用各领域均得到广泛应用。

这种传感器通常可等效为一对差分可变电容，其电容的变化量直接反映了外界待测的物理量的大小。但电容式微机电传感器输出的信号非常微弱，一般仅在10^-18-10^-12法拉量级，这对读出电路的设计提出了非常苛刻的要求。读出电路的噪声水平决定了其所能检测的最小信号幅度，低噪声的读出电路设计成了实现高精度的关键。

目前国际上电容读出电路的设计主要可分为连续时间电压式、连续时间电流式和开关电容式三种。其中开关电容式因其电路结构较为简单，实现较为容易，从而被广泛采用，但其缺点在于电路中信号通过开关周期采样与保持，在时间上离散，使得很大一部分的高频噪声会折叠到信号通带内，限制读出精度([1]H.Kulah，J.Chae，N.Yazdi，and K.Najafi，“Noise analysis and characterization of a sigma-delta capacitive microaccelerometer”，IEEE J.Solid-State Circuits，vol.41，no.2，pp.352，Feb.2006.[2]M.Lemkin and B.E.Boser，“A three-axis micromachined accelerometer with a CMOS position-sense interface and digital offset-trim electronics”，IEEE J.Solid-State Circuits，vol.34，no.4，pp.456-468，Apr.1999.)。连续时间的读出方式噪声性能相对要优于开关电容方式接近一个数量级，通过各种噪声消除技术，可以实现仅有少量的热噪声与信号发生混叠。连续时间电流读出方式的难点在于反馈电阻的实现，通常该电阻要达到千兆欧姆量级以实现较理想的检测灵敏度，这在集成电路中实现这样一个大的电阻并且具有一定的线形度是极其困难的，通常需要复杂的补偿电路，增加了系统功耗([3]J.Geen，S.Sherman，J.Chang，and S.Lewis，“Single-chip surface micromachined integrated gyroscope with 50/h allan deviation”，IEEE J.Solid-State Circuits，vol.37，no.12，pp.1860，Dec.2002.)。而连续时间电压式电容读出电路的设计难点在于其与待测电容连接端的偏置实现。该节点通常一端连接电容极板，另一端连接运放输入MOS管的栅极，是高阻节点，很难确立其直流电平。如果偏置不理想，将严重限制读出电路的线形范围，甚至导致电路不能正常工作([4]J.Wu，G.Fedder，and L.Richard，“A low-noise low-offset capacitive sensing amplifier for a 50-ug/rtHz monolithic CMOS MEMSaccelerometer，”IEEE J.Sol id-State Circuits，vol.39，no.5，pp.722，May.2004.)。

发明内容

本发明的目的是公开一种采用斩波稳定技术的电容连续时间读出电路，通过对典型电压式电容读出电路输入节点设置偏置，并结合斩波消除低频噪声，实现高精度、宽线形范围的电容读出，以提高采用本发明的电容式微机电传感器的性能。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案是：

一种采用斩波稳定技术的电容连续时间读出电路，包括全差分运放管、共模运放管、滤波器、多个电容和开关器件；其包括三级，其中：

第一级：全差分运放管的第一和第二输入端，分别经第一和第二开关器件同第一基准电平电相连，全差分运放管的第一和第二输出端，分别经第三和第四开关器件同第二基准电平电相连；在全差分运放管的第一输入端和第二输出端间跨接有第一电容，在全差分运放管第二输入端和第一输出端间跨接有第二电容；